技术前沿：LS-DYNA ICFD精准模拟复杂流体问题/流固耦合/多物理场现象

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导读：上一篇文章给读者介绍了手榴弹空爆-摧毁装甲车！浅析CONWEP方法不同类型爆炸载荷差异，而本文主要介绍 LS-DYNA 软件的 ICFD 模块，该模块基于有限元法和浸入式边界法，用于解决不可压缩流体动力学问题，具备不可压缩流动模拟、流固耦合、简化前处理及多物理场扩展等核心特点，适用于汽车涉水、建筑风工程、血流动力学模拟等场景。

文中对比了 ICFD 与 Fluent 在核心算法、网格处理、流固耦合及适用场景等方面的差异，还详细阐述了 ICFD 从定义流体网格、材料设置到边界条件与求解控制的典型建模计算流程，并以圆柱扰流案例演示了其网格建立、边界条件设置及结果输出等应用过程，展现了该模块在复杂工程多学科协同分析中的高效性与高精度优势。

一、认识LS-DYNA ICFD模块

LS-DYNA ICFD（Incompressible Computational Fluid Dynamics）是LS-DYNA软件中专门针对不可压缩流体动力学问题开发的高效求解模块。该模块基于有限元方法（FEM）和浸入式边界法（Immersed Boundary Method），能够精确模拟复杂几何中的流体流动、流-固耦合（FSI）及多物理场耦合现象。

ICFD模块与LS-DYNA显式/隐式求解器无缝集成，为用户提供了一套高效、高精度的流体仿真解决方案，助力复杂工程问题的多学科协同分析。

1、核心特点：

不可压缩流动模拟：适用于低速或中等流速的流体分析，如汽车空气动力学、生物流体、管道流动等场景。
流-固耦合（FSI）：通过耦合结构求解器，实现流体与柔性/刚性结构的双向交互，例如船舶航行、心脏血流模拟等。
浸入式边界法：无需贴合流体网格与几何边界，大幅简化前处理工作，尤其适合复杂运动边界问题。
多物理场扩展：支持与热传导、湍流模型（如RANS、LES）、自由表面（VOF）等耦合分析。

2、典型应用场景：

汽车涉水、油箱晃动、风机叶片流体载荷
建筑风工程、通风系统优化
生物医学领域的血流动力学模拟

二、ICFD与Fluent的区别

1、核心算法与求解方法

2、适用场景与优势

三、ICFD设置流程

典型的ICFD算例建模计算流程如下:

(1)定义计算域流体网格。

有两种定义方法:

方法1:用户首先通过MESH_SURFACE_ELEMENT定义流体边界面网格,然后通过ICFD_PART定义流体边界面网格Part,接着通过MESH_VOLUME引用这些Part,形成封闭体,LS-DYNA自动生成封闭体内的流体计算域网格,这是最常用的模式。注意，MESH_VOLUME定义的VOLID可被MESH_INTERF、MESH_SIZE、MESH_EMBED_SHELL等关键字所引用,并没有被ICFD_PART_VOL定义的Part引用。此外,流体边界网格构成的封闭几何不能存在间隙或重合节点。

方法2:用户提供计算域流体网格,并通过*ICFD_SETNODELIST将边界上的节点关联到流体边界面网格Part。目前仅支持三角形和四面体网格。

(2)通过*ICFD_MAT定义材料模型及其参数,用户需要输人密度RO及黏性系数 VIS。

(3)通过*ICFD_SECTION 定义单元算法。

(4)通过*ICFD_PART引用定义的SECID和MID,生成带有物理属性的流体边界面网格 Part。

通过*ICFD_PART_VOL引用定义的SECID、MID和流体边界面网格Part,生成带有物理属性的流体计算域网格Part。注意,*ICFD_PART_VOL定义的PID没有被其他关键字引用。

(5)定义边界条件,即自由滑移边界、无滑移边界、地面边界、入口流速、出口压力等。

*ICFD BOUNDARY FREESLIP:自由滑移边界。

*ICFD BOUNDARY NONSLIP:无滑移边界。

*ICFD BOUNDARY GROUND:地面边界。

*ICFD BOUNDARY PRESCRIBED_VEL:入口流速边界

*ICFD BOUNDARY PRESCRIBED PRE:出口压力边界

(6)必要的话,在流体和结构之间定义流固耦合。

*ICFD CONTROL _FSI:设置流固耦合算法及相关控制参数。

*ICFD BOUNDARY_FSI:定义参与流固耦合计算的结构面 Part。

*ICFD BOUNDARY FSIEXCLUDE:定义不参与流固耦合计算的结构 Part。

(7)设置计算控制参数,如计算终止时间、时间步长和过程监控。

*ICFD_CONTROL_TIME:TTM是计算终止时间,DT为时间步长

*ICFD_CONTROL_OUTPUT:输出计算过程的信息。

(8)计算结果输出。

*ICFD DATABASE DRAG:设置输出阻力。

*DATABASE BINARY_D3PLOT:设置输出 D3PLOT文件

四、圆柱扰流案例

圆柱绕流是计算流体力学（CFD）和流固耦合（FSI）领域的经典验证案例，用于研究层流/湍流、涡脱落（卡门涡街）、阻力/升力系数等关键流体现象。

1、流体域网格建立

首先通过梁单元来建立流体域的边界网格，包括矩形流体域边界以及内部圆形区域边界。

通过MSMESH功能将梁单元转换成流体域边界网格。

转换后的网格单元将从beam变为SURFACE_ELEMENT和SURFACE_NODE。

通过MESH_VOLUME关键字建立内部流体域网格，该关键字可通过边界网格（选择边界网格对应的part）确定流体域的范围并自动建立流体域网格，该网格在前处理时无法显示但可在后处理时观察到，并且该网格会随着局部数值的升高自动加密。

通过MESH_BL关键字建立流体域的边界层网格，该关键字需要选择边界层所在位置的边界part以及边界层的层数。

2、边界条件设置

ICFD中边界条件的设置逻辑与FLUENT相同，均需要设置响应的入口(INLET）与出口(OUTLET)边界，以及界面(WALL)。只不过ICFD的边界条件类型不如FLUENT种类丰富。

通过ICFD_BOUNDARY_PRESCRIBED_VEL 关键字设置速度入口。

通过ICFD_BOUNDARY_PRESCRIBED_PRE关键字设置压力出口。

通过ICFD_BOUNDARY_FREESLIP关键字设置压力出口。

通过ICFD_BOUNDARY_NONSLIP关键字设置压力出口。

3、流体材料设置

通过ICFD_MAT关键字设置流体材料，包括流体类型（目前仅可选择真空或不可压缩流体）、流体密度、粘度以及表面张力。

在ICFD_SECTION关键字中设置流体网格的单元属性，目前该关键字没有可选项（可能为以后的功能升级做铺垫）。

在ICFD_PART关键字中赋予相应的材料以及单元属性，该关键字意义在于设置入口以及出口的流入流出材料，但ICFD目前无法考虑多种混合材料流入的情况。

ICFD_PART_VOL意义在于设置流体域内的材料，该关键字可将流体域划分为不同区域并且设置不同的材料，相当于ALE法中的初始体积填充或FLEUNT中初始化的patch功能。

4、求解设置

在ICFD_CONTROL_TIME关键字中设置求解结束时间以及时间步范围或大小。

通过ICFD_DATABASE_DRAG 可获得在某个壁面位置的流体阻力结果。

通过DATABASE_BINARY_DЗPLOT关键字获得结果动画。

5、计算结果

以上是LS-DYNA中不可压缩流体求解器（ICFD)全部介绍，强烈推荐读者订阅我的LS-DYNA从入门到精通视频课程，课程持续加餐，提供VIP群答疑服务，帮助用户快速成长。

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